2024年5月30日发(作者:)
2014,48(2):59—62/丛晓燕,等 中国兽药杂志 ・59・
环二鸟苷酸(c-di-GMP)作为潜在免疫佐剂的研究进展
丛晓燕 ,时建立 ,孙文博 ,李俊 ,杜以军 ,吴家强 ,
陈蕾 ,陈智 ,王金宝
(1:山东省农科院畜牧兽医研究所,济南250100;2:山东省畜禽疫病防治与繁育重点实验室,济南250100)
[收稿日期]2013—08-13 [文献标识码]A[文章编号]1002—1280(2014)02—0059—04[中图分类号]¥852.6
[摘要] 环二鸟苷酸(cyclic diguanylate,c—dj—GMP)是在细菌中普遍存在的第二信使分子,参
与调节多种生理功能,近年来研究发现环二乌苷酸作为免疫调节剂作用于真核细胞可产生良好的
免疫调节作用,实验研究表明其有可能成为具有潜力的疫苗佐剂。本文综述了c—di—GMP的结构,
生物学功能、免疫特性和作为疫苗佐剂研究等方面的最新研究进展。
[关键词] 环二乌苷酸;疫苗;佐剂;免疫
The Potential of Cyclic Diguanylate f c—di—GMP)aS an Immunologic Adjuvant
CONG Xiao-yan 一,SHI Jian-li ,SUN Wen-bo 一,LI Jun 一,DU Yi-jun 一,WU Jia-qiang ,
CHEN Lei ,CHEN Zhi,WANG Jin—bao ,
(1.Institute ofAnimal Science and Veterinary Medicine Shandang Academy ofAgricultural Sciences,Jinan 250100,China;
2.Shandong Provicinal Key Laboratory of Animal Disease Control&Breeding,Jinan 250100,China)
Abstract:Cyclic diguanylate(C—di—GMP)is a ubiquitous second messenger present in a wide variety of
bacteria.The recent finding that c—di—GMP can act as a danger signal on eukaryotic cells has prompted the study
of the immunomodulator and adjuvant.Numerous repots have suggested that C—di—GMP may be useful as a
potential vaccine adjuvant.This article gives an overview of C—di—GMP,focusing on its chemical structures,
biological function of c—di—GMP.immunostimulatory properties of c—di—GMP and the promise of c—di—GMP as a
vaccine adjuvant.
Key words:c—di—GMP;vaccine;adjuvant;immunization
随着基因工程亚单位疫苗、合成肽疫苗及DNA
陷,如铝盐佐剂其在诱导细胞毒性T细胞及Thl型
反应中作用很有限.同高纯度的小分子蛋白抗原共
同使用时不能引起足够的抗体应答.因此铝盐在新
疫苗研究的兴起,人们发现新型疫苗有许多优点.
但它们的抗原高度纯化.常常不能诱导产生较强的
免疫应答,很多情况下,即使接种了疫苗。仍然会有 型疫苗中的佐剂效果较差,但铝盐佐剂也是目前应
用最广的佐剂[1]。油佐剂疫苗在抗体效价和免疫
持久性方面都优于铝盐佐剂,但其不良反应较严
重。如弗氏佐剂在注射后易产生局部持久性溃疡
和肉芽肿。目前的研究热点细胞因子l2]、脂质
定的发病率或死亡率,因此亟需研发新的疫苗或
者有效地疫苗佐剂以提高疫苗的免疫效果。目前,
一
要使新型疫苗的缺点得到弥补.最常用的方法是以
适当的佐剂与之配合使用。传统兽用疫苗中常用
的佐剂有铝盐佐剂和油佐剂,但均存在一定的缺 体_3]、CpG—ODN佐剂[ ]、单磷酰基脂质A[ ]四类
基金项目:山东省农业重大应用技术创新课题(鲁财农便(2010]5号)
作者简介:丛晓燕,硕士,从事动物微生物与免疫学研究。
通讯作者:王金宝。E-mail:wangjb@saas.ac.an
・
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新型兽用疫苗佐剂.是得到学者们公认的毒副作用
较小而佐剂作用相对较好的有应用前途的佐剂。
此外还有近几年引起广泛关注的细菌第二信使环
二鸟苷酸与TOLL样受体l8].主要是刺激与调节机
体先天免疫。环二鸟苷酸(cyclic diguanylate,c—di
—
GMP)是细菌中普遍存在的第二信使分子。参与
调节多种生理功能.研究发现环二鸟苷酸作为免疫
调节剂作用于真核细胞可产生很好的免疫调节作
用,实验研究表明其有可能成为具有潜力的疫苗佐
剂[9]。本文着重介绍环二鸟苷酸作为免疫佐剂的
研究。
1 c-di—GMP的结构与代谢
环二鸟苷酸是细菌中保守的第二信使分子.参
与调节多种生理功能,包括细菌的运动,定置,分
化、生物被膜形成、致病因子产生,细胞间通信
等lJ…。c—di—GMP是由2分子GTP缩合形成的环
状二核苷酸,其结构如图1所示。细胞内c—di—
GMP合成与降解代谢分别受二鸟苷酸环化酶
(diguanylate cyclase,DGC)和磷酸二酯酶(phos—
phodiesterase,PDE)调控 DGC和PDE活性中心
为GGDEF和EAL结构域,GGDEF结构域能够将2
分子GTPs催化合成一分子c—di—GMP.而EAL结
构域能够将c—di—GMP降解为pGpG。
0
O
图1 C--di—GMP的化学结构及其类似物
2 c—di—GMP的免疫特性与作用机理
c—di—GMP对某些严重的细菌感染有着惊人的
保护效果.Karaolis等[51]利用小鼠模型感染肺炎克
雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae).发现c—di—GMP
通过协同作用,可显著降低肺脏中细菌浓度。该实
验同时证明,c~di—GMP的抗菌作用,是由于c—di—
GMP的免疫调节,而非直接的杀菌作用。免疫调
节作用不仅限于机体系统免疫反应,其在采用滴鼻
的免疫方式时也可产生一系列的免疫调节作用.而
消灭部分入侵的细菌。Ogunniyi AD与Yan H在研
究以小鼠为模型感染肺炎球菌的治疗时均证明,在
滴鼻初始的保护疗效对呼吸道病原体尽管没有直
接杀菌作用,但能显着降低肺部的细菌浓度和减少
传播l_1 ,也间接说明e—di—GMP是通过免疫调节
作用降低了细菌的感染。
c—di—GMP可刺激机体的先天免疫是一种有效
的免疫调节剂。c—di—GMP确实有强大的免疫刺激
特性,能够初步刺激人未成熟树突状细胞表面组织
相容性复合物MHC lI类抗原的表达,刺激分子CD
80/CD 86和成熟标志CD 83,增加分泌细胞因子
和趋化因子(白细胞介素一l2,干扰素一^y等),调
节激活正常T细胞表达和分泌,并改变表达趋化因
子受体。此外,C—di—GMP可增强细胞刺激活
动[12-14]。Yan H等ll 3_证明c—di—GMP经腹腔注射
或滴鼻免疫小白鼠,可诱导单核细胞、粒性白细胞、
树突细胞的聚集、增强T细胞活化的协同调节因子
CD40和CD80的表达,且c—di—GMP滴鼻免疫小鼠
24 h后,肺部树突状细胞数量明显增加。
c—di—GMP有很好的免疫保护效果,但其作用
机理近期才得以初步了解。先天免疫系统组成了
机体对抗致病菌的第一道防线。当有致病菌入侵
机体时.先天免疫系统中的模式识别受体可以感受
致病菌中的一些核苷酸类的保守结构.从而激活机
体合成多种细胞因子包括I型干扰素来对抗病原
菌。病原菌侵入机体细胞后,在遗传物质复制的过
程中,会有游离的双链DNA(dsDNA)释放到胞内,
而这些外源的DNA会引起细胞的免疫反应。在这
个过程中,干扰素刺激因子STING(stimulator of
interferon gnens)跨膜蛋白起着重要的作用,它能够
促进干扰素的产生.并且在dsDNA从被检测出到
TBK—IRF3的信号通路中起着连接作用。201 1年9
月,Burdette等 5-人发现。STING在病原菌和病毒
感染时角色不同:既是病原菌所分泌的第二信使
c—di—GMP的感受因子(sensor),又是宿主感知病毒核
酸产生I型干扰素反应的信号接头分子(adaptor)。
针对细菌的入侵。STING蛋白能够直接感应环
二鸟苷酸的信号分子,从而激活下游信号转导通
路,进而产生细胞因子及其它固有免疫反应。2012
年.苏晓东_l 6_通过对STING及其与c—di—GMP复
合物结构的解析,非常清楚地展示了STING感受和
结合e—di—GMP的分子机制,为进一步的免疫治
疗,及c—di—GMP作为疫苗佐剂的开发应用提供了
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非常重要的线索。同时,谷立川ll 揭示了先天免
疫相关蛋白STING与细菌信号分子c—di—GMP的
相互作用关系。STING以对称二体的形式存在,形
成一个适合结合c—di—GMP的具有对称性的疏水
腔;结合c—di—GMP后,STING的一个单体的B2一
B3 loop会发生构象变化,这个构象变化能够让
STING二体更紧密地结合c—di—GMP。这种结合方
式与细菌蛋白结合c—di—GMP有着很大差别,前者
主要以疏水相互作用为主,而后者则主要通过两个
精氨酸的正电荷与c—di—GMP两个磷酸基团的负
电荷的相互吸引结合在一起。这为理解内源免疫
系统如何感应及防御微生物的感染提供了重要信
息.也从分子水平上证明c—di—GMP可以作为优良
的疫苗佐剂,在临床上具有很好的应用前景。
3 c—di—GMP作为免疫佐剂的研究
c—di—GMP刺激和调节宿主的先天免疫反应表
明,c—di—GMP及其类似物可以是一个潜在的疫苗
佐剂,2006年第一次由Karaolis E14]正式的提出这一
概念。随后.2007年Ebensen T[is]首次评估了
c—di—GMP及其类似物作为佐剂的可能性。采用标
准的免疫程序模式抗原半乳糖苷酶与c—di—GMP
的混合物皮下免疫小鼠,和单免抗原相比,其产生
很强的体液免疫与细胞免疫,引起淋巴细胞增殖和
干扰素,IL一2,IL一4和肿瘤坏死因子等的分泌。
血清中检测出IgG1与IgG2a亚型和脾细胞中细胞
因子.说明c—di—GMP作为疫苗佐剂可以诱导
Th 1、Th 2平衡免疫反应,c—di~GMP可以作为好的
疫苗佐剂。Hu DL等l1 9]建立小鼠感染模型,小鼠
在2周的时间内间隔免疫三次,以铝胶或c—di—
GMP作为佐剂,1:1混合抗原耐甲氧西林金黄色葡
萄球菌。粘附素或金黄色葡萄球菌肠毒素。实验表
明以c—di—GMP作为佐剂的疫苗免疫的小鼠有更
好地存活率.与铝胶佐剂相比,脾脏与肝脏细菌的
感染量明显降低。另一小鼠模型。肺炎球菌PdB+
c—di—GMP佐剂与肺炎球菌PdB+铝胶佐剂相比产
生较高的特异性抗体,且产生很好的免疫保护l】 。
c—di—GMP在作为全身免疫佐剂研究的同时,
发现其作为粘膜佐剂有着不错的免疫效果。Yan H
等_’0 首次证明c—di—GMP作为佐剂,可提高粘膜
免疫反应,产生针对病菌入侵的保护性免疫。小鼠
通过滴鼻免疫肺炎球菌表面黏附素A与c—di—
GMP的混合物可刺激机体产生特异性抗体IgA、
IgG1和IgG2a。粘膜和血清中的含有较高的特异
抗体肺炎球菌表面黏附素A。McWhi ̄er SM等_21]
在哺乳动物细胞浆中发现c—di—GMP.其引发的转
录反应与细胞内的DNA刺激机体产生的反应相似,
通过调控基因TANK激酶1,干扰素调整因子3,核
因子B和有活性的蛋白激酶,引发诱导产生I型干
扰素。这个反应与胞浆DNA引发的反应一样,可
能会增加e—di—GMP作为小分子佐剂的价值。
Madhun AS等¨2 利用植源性的流感疫苗H5N1,混
合c—di—GMP作为佐剂。采用滴鼻或肌注的方式
免疫小鼠,以肌注的方式免疫的小鼠没有提高
H5N1的免疫应答,而以滴鼻方式免疫的小鼠引起
强烈的粘膜免疫与体液免疫,另外,滴鼻的方式引
起Th1/Th2的平衡变化.出现大量多功能的
ThlCD4细胞,说明c—di—GMP对植源性的流感疫苗
H5N1是一种很有前途的粘膜佐剂。Pedersen GK
等 ]应用小鼠模型免疫H5NI减毒活疫苗,混合
c—di—GMP作为佐剂,采用滴鼻、舌下注射与肌注的
方式免疫小鼠。舌下免疫可有效地诱导局部与全
身的体液免疫和细胞免疫反应,但免疫效果明显低
于滴鼻免疫,但高于肌注免疫。值得一提的是舌下
免疫可产生大量针对H5N1的特异多功能CD4 细
胞。三种免疫方式均产生了较高的血凝抑制抗体,
其中唾液中的HI抗体仅由滴鼻与舌下注射免疫产
生。通过对比一系列的免疫方式,滴鼻免疫的方式
是最能提高c—di—GMP免疫效果的免疫方式.这也
间接证实c—di—GMP作为佐剂,在粘膜免疫方面具
有很好的效果。与目前佐剂研究的热点细胞因子,
脂质体,CpG—ODN佐剂,单磷酰基脂质A相比
c—di—GMP可以明显提高抗体IgG1、IgG2a,干扰素一^y
的水平与含量 J。
4结语
c—di—GMP能够刺激机体产生免疫反应,而启动
了探讨其作为新型免疫增强剂的研究,新型疫苗佐
剂一般具有来源广泛、价格低廉、高效低毒、作用机
理研究比较清楚等特点[25-26]。c—di—GMP要成为切
实可行的免疫佐剂还需大量的数据支持:体外的实
验表明c—di—GMP对正常大鼠肾细胞或人类神经母
细胞瘤细胞没有致死毒性,也没有不良的反应或是
致癌作用¨ 咖],但在体内的安全性需要进行评估;
c—di—GMP强大的免疫刺激特性可能导致对机体有
害的炎症反应[2 ,这就需要对c—di—GMP进行结构
修饰防止过度组织炎症。粘膜表面(如呼吸道,消化
道和泌尿生殖道)是病原菌主要的入侵途径和定居
・
62・ 中国兽药杂志 2014,48(2):59~62/丛晓燕,等
部位 因此,发展佐剂和疫苗引起有效和持续的粘
膜免疫反应,防止病原体的附着,入侵和复制,将在
预防和治疗许多重要的传染病方面起到重要作用。
c—di—GMP能否成为一种有效地粘膜佐剂必须经过
更多方面的评估。另外,对c—di—GMP的作用机制
的深入研究,是c—di—GMP成为粘膜免疫佐剂关键
的一步。虽然,c—di—GMP或其相关衍生物成为切实
可行的免疫佐剂任重而道远,但其值得期待。
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(编辑:陈希)
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